增益调制激光雷达弱信号的双阈值处理分析
哈工大激光雷达课件一——激光雷达基本知识
抗隐身目标能力
低仰角跟踪能力 低截获概率能力 多目标探测和跟踪能力 技术成熟程度
下
下 下 上 上
中
中 中 中 中
上
上 上 下 下
3.
激光雷达的优点
工作频率非常高，较微波高3~4个数量级。 激光作为雷达辐射源探测运动目标时多普勒
一 基 本 知 识
频率非常高，因而速度分辨率极高。
工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效 频率之外，有利于对抗电子干扰和反隐身。
一 基 本 知 识
汞(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器
③
光学天线 透射式望ห้องสมุดไป่ตู้镜（开普勒、伽利略）
反射式望远镜（牛顿式、卡塞哥伦）
收发合置光学天线 收发分置光学天线
自由空间光路
全光纤光路 波片（四分之一、二分之一）
分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片
④ 光学扫描器。
多面体扫描器，利用多面体（6-12面）的
2. 扫描激光成像雷达
非扫描激光成像雷达
1.
激光成像雷达的优点:
分辨率高，具有很高的角度、距离、速度和图 像分辨率，因而能探测飞行路径中截面积小的
激 光 成 像 雷 达
障碍物如电线、电线杆等；能使巡航导弹具有
地形跟随和障碍物回避的能力，有利于低空入 侵，特别是在夜晚和坏气象的条件下。
图像稳定。激光雷达图像所记录的是目标的三
激光雷达技术（1）
基本知识、应用前景、发展概况
哈尔滨工业大学航天学院 王春晖
1. 2.
绪论 基本知识、应用前景、发展概况 激光雷达基本理论 雷达方程、探测方式、传输特性、天线特性等
小波分析的语音信号噪声消除方法
小波分析的语音信号噪声消除方法小波分析是一种有效的信号处理方法，可以用于噪声消除。
在语音信号处理中，噪声常常会影响语音信号的质量和可理解性，因此消除噪声对于语音信号的处理非常重要。
下面将介绍几种利用小波分析的语音信号噪声消除方法。
一、阈值方法阈值方法是一种简单而有效的噪声消除方法，它基于小波变换将语音信号分解为多个频带，然后通过设置阈值将各个频带的噪声成分消除。
1.1离散小波变换（DWT）首先，对语音信号进行离散小波变换（DWT），将信号分解为近似系数和细节系数。
近似系数包含信号的低频成分，而细节系数包含信号的高频成分和噪声。
1.2设置阈值对细节系数进行阈值处理，将细节系数中幅值低于设定阈值的部分置零。
这样可以将噪声成分消除，同时保留声音信号的特征。
1.3逆变换将处理后的系数进行逆变换，得到去噪后的语音信号。
1.4优化阈值选择为了提高去噪效果，可以通过优化阈值选择方法来确定最佳的阈值。
常见的选择方法有软阈值和硬阈值。
1.4.1软阈值软阈值将细节系数进行映射，对于小于阈值的细节系数，将其幅值缩小到零。
这样可以在抑制噪声的同时保留语音信号的细节。
1.4.2硬阈值硬阈值将细节系数进行二值化处理，对于小于阈值的细节系数，将其置零。
这样可以更彻底地消除噪声，但可能会损失一些语音信号的细节。
二、小波包变换小波包变换是对离散小波变换的改进和扩展，可以提供更好的频带分析。
在语音信号噪声消除中，小波包变换可以用于更精细的频带选择和噪声消除。
2.1小波包分解将语音信号进行小波包分解，得到多层的近似系数和细节系数。
2.2频带选择根据噪声和语音信号在不同频带上的能量分布特性，选择合适的频带对语音信号进行噪声消除。
2.3阈值处理对选定的频带进行阈值处理，将噪声成分消除。
2.4逆变换对处理后的系数进行逆变换，得到去噪后的语音信号。
三、小波域滤波小波域滤波是一种基于小波变换的滤波方法，通过选择合适的小波函数和滤波器来实现噪声消除。
激光器 小信号增益 与长度的关系
激光器小信号增益与长度的关系1.引言1.1 概述在激光技术领域，激光器是一种非常重要的光学器件。
它通过受激辐射的过程产生相干光，具有高亮度、狭窄的光束和高能量密度等特点，被广泛应用于通信、制造、医疗、科研等诸多领域。
在激光器的运行过程中，小信号增益是一个关键的参数。
小信号增益可以被定义为激光器在非饱和状态下的增益系数，它反映了激光器对输入信号的放大能力。
在实际应用中，我们常常需要通过调整激光器的长度来控制小信号增益的大小，以满足特定的需求。
激光器的长度对小信号增益有着直接的影响。
一般来说，随着激光器长度的增加，小信号增益也会相应增加。
这是由于激光在激光谐振腔内的来回反射过程中，会与激光介质相互作用，使得激光能量逐渐得到放大。
因此，增加激光器长度可以提高激光器内部的相互作用次数，从而增加小信号增益。
然而，过长的激光器长度也会导致一些问题。
当激光器的长度过长时，激光在谐振腔中的往返次数增加，可能会引起一些不稳定的现象，如自脉冲和模式跳跃等。
此外，过长的激光器长度还会增加功耗和材料成本，限制了激光器的实际应用。
综上所述，激光器的小信号增益与其长度存在着紧密的关系。
适当调整激光器的长度可以有效地控制小信号增益的大小，从而满足具体应用中对激光器性能的需求。
通过进一步研究和应用，我们可以进一步完善激光器的设计和制造，推动激光技术的发展与应用。
1.2文章结构文章结构部分的内容：在本文中，我们将首先介绍激光器及其基本原理，并探讨小信号增益对于激光器性能的重要性。
随后，我们将详细研究激光器长度对小信号增益的影响，并分析其原因和机制。
最后，我们将总结小信号增益与激光器长度的关系，并展望其应用和进一步研究的可能性。
通过这些内容的阐述，读者将能够更全面地了解激光器的性能与长度之间的关系，从而为相关领域的应用和研究提供有益的参考。
1.3 目的本文旨在探讨激光器小信号增益与长度之间的关系。
了解激光器的小信号增益及其影响因素对于优化激光器的性能、提高激光器的效率具有重要意义。
第2讲激光及激光雷达系统-激光雷达系统2
5
激光雷达的分类
按照照使用用目的分类
6
激光雷达的分类
相互作用 反射 检测对象 比激光波长尺寸大 很多的物质 举例 地形测绘 气溶胶 空气分子 空气分子，水蒸气， SO2等污染物质 NO2等污染物质
8
激光成像雷达发展
四个阶段： 四个阶段 ：
激光测距仪 跟踪测角测距雷达 激光成像雷达
9
激光成像雷达
只要发射激光波形具有足够高的波束质量和重复频率， 发射激 波 有 够高的波束质 复频率 接收信号达到一定的信噪比要求，均能通过波束扫描在探 测器的光敏面上得到目标的图像 测器的光敏面上得到目标的图像。
分为外差探测 分为 外差探测， ，零拍探测 零拍探测和 和多频外差探测 多频外差探测等 等
19
激光雷达外差探测原理
一般外差探测激光雷达系统由一台连续工作的激光 一般外差探测 激光雷达系统由一台连续工作的激光 器作为独立辐射源发出参考波 称为本地振荡器 器作为独立辐射源发出参考波，称为本地振荡器 器作为独立辐射源发出参考波，称为 称为本地振荡器 系统接收到的回波 信号与来自本地振 荡器的参考信号混 合之后，由混频器 输出的光束聚焦到 探测器上然后再进 行信号处理。
29
激光遥感观测系统
飞机 激光扫描仪 航摄相机 CCNS4导航控制系统 AEROControl IId 高 精度位置姿态测量系统 (IMU/DGPS) IMU与相机连接架 机载DGPS天线 地面DGPS基站接收机
激光遥感集成系统
空间超高速数字相干激光通信问题与解决方法
引用本文：陶坤宇，曹哲玮，杨奇，等.空间超高速数字相干激光通信问题与解决方法[J].光通信技术，2021,45(5):44-49.空间超高速数字相干激光通信问题与解决方法陶坤宇！，曹哲玮！，杨奇"，宋义伟！，陈心怡！，姜义君！，付森1(1.上海无线电设备研究所激光探测技术研发中心，上海201109; 2.华中科技大学光学与电子信息学院，武汉430074)摘要：为了解决空间超高速率信息传输问题，保障我国天基宽带信息传输网的实现，分析了未来在空间进行超高速率激光通信采用数字相干体制的必要性，总结了现阶段实现这一目标存在的4个问题:单模光纤耦合、低噪声掺｛光纤放大器(EDFA)的放大、数字编解码算法和硬件架构问题.针对这4个问题逐一提出了解决方法，即快反镜(FSM)跟踪与自适应光纤章动、分段噪声抑制、浮点数并行处理算法和集成化.分析了空间激光通信技术水平的发展趋势，最后给出了对未来技术方向发展的预测。
关键词：激光通信;数字相干;单模光纤耦合；掺｛光纤放大器;编解码算法中图分类号：TN929.12文献标志码：A文章编号：1002-5561(2021)05-0044-06D01：10.13921/ki.issn1002-5561.2021.05.010开放科学(资源服务)标识码(OSID)：Problems and solutions of ultra-high speed digitalcoherent space laser communicationTAO Kunyu1,CAO Zhewei1,YANG Qi2,SONG Yiwei1,CHEN Xinyi1,JIANG Yijun1,FU Sen1(ser R&D Center of Detection Technology,Shanghai Radio Equipment Research Institue,Shanghai201109,China;2.School of Optical and Electronic Information,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan430074,China)Abstract:In order to solve the problem of ultra-high speed space transmission and ensure the realization of our country's space-based broadband communication network,the necessity of applying digital coherence scheme to ultra-high speed space laser communication is analyzed in this paper,four problems in achieving this goal existed at current stage are summarized as follows:single-mode fiber coupling,low noise amplification of the erbium doped fiber amplifier(EDFA),algorithm of digital encoding and decoding,and hardware architecture.The solutions to these four problems are put forward one by one:fast steering mirror(FSM)tracking and adaptive nutation,segmented noise suppression,floating point parallel processing algorithm and integration.This paper analyzes the development trend of space laser communication technology,and finally gives the prediction of the future development direction of technology.Key words:laser communication;digital coherent;single-mode fiber coupling;erbium doped fiber amplifier;encoding and decoding algorithm0引言我国卫星通信技术处于快速发展阶段，对卫星通信系统的需求主要包括3个方面：带宽需求日益增加、通信距离越来越远和能够适应复杂的信道环境，用微波手段已经越来越难以满足卫星通信带宽的需收稿日期：2020-09-25。
激光雷达信号与数据处理(6)
信号处理（以激光测风雷达为例） 信号处理（以激光测风雷达为例）
航天学院
信号处理的目的和要求
1. 激光雷达气象回波信号特点： – 夹杂在各种杂波中的强度很弱、脉动很强、语宽较宽的随机信号。这 种信号的特点决定了雷达信号处理是从各种杂波中提取微弱有用信号 ，并使有用信号具有统计平均意义的过程。 2. 提高微弱信号检测能力、减小脉动和进行质量控制。 3. 主要措施分别是相干积分、谱平均，以及噪声抑制与杂波分离。 – 相干积分又称为相干积累或相参积累。相干积分在时域进行，在信号 保持相干的条件下，对一定数量的脉冲回波信号进行平均处理，所以 相干积分是时域平均过程。 – 相干积分的主要目的是为了提高信噪比，使信号电平高于平均噪声电 平，从而使雷达接收机能够检测到有用的微弱信号。 航天学院
e
= Y (ω )eiωt
其小Y(ω)是经过M次相干积分后输出信号的复振幅。 设H(ω)为相干积分器的传递函数，由相干积分器的输入与输出 关系，可以得到相干积分器的传递函数H(ω)为
Y (ω ) = H (ω ) • X (ω ) H (ω ) = 1 M
M −1 k =0
∑e ω
i kT
=e
i ( M −1)ωT 2
航天学院
2. 谱变换 –如果只提取回波强度信息，则无需对回波信号进行谱分析和谱变 换。 –为了在获取回波强度信息的同时得到速度信息，需要对相干积分 后的时域信号进行谱分析。通过谱变换将时域信号变为频域信号 –在频域对信号进行研究．不但可以得到回波强度，还可以得到速 度以及速度谱宽。 –激光测风雷达通常采用快速博里叶变换(FFT)方法对相干积分后 得到的数据进行频率变换。 –样本数一般取2n个(n为整数)。 –用于FFT的数据个数称为谱变换点数(简称谱点数)，记为NSP (number of spectral points)。
激光原理及应用课件—陈鹤鸣第7章 激光特性的控制与改善
e TEM00 模： g00ol r1r2 (1 00 ) 1
e TEM
模：
01
g01ol
r1r2 (1 01 ) 1
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
激光器以 TEM00
模单模运转
5
横模选择原理
与横模阶数无关的损耗： 腔镜透射率，腔内元件吸收、散射损耗等
与横模阶数相关的损耗： 衍射损耗
15
纵模选择方法
标准具透过率：
T (
)
(1
(1 R)2
R)2 4R sin2(
2
)
1
1 4R (1 R)2
sin 2 (
2
)
标准具透射峰对应的频率：
m
m
c
2d cos
m q
单纵模输出
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
m
osc
16
纵模选择方法
3. 复合腔法
用一个反射干涉系统代替腔的一个端面反射镜， 则其组合反射率是频率的函数。
决定横模鉴别能力的因素：
10 00 、 d
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
6
10 / 00 值与菲涅耳数N的关系
10 00
随N增加而变大
d
随N增加而减小
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
7
横模选择方法
改变谐振腔的结构和参数：气体激光器 在一定谐振腔内插入附加选模元件：固体激光器
22
7.2.2 稳 频 方 法
主动稳频技术：
选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏 离此特定的标准频率时，鉴别器产生一个正比于偏离量的误 差信号，此误差信号经放大后又通过反馈系统回来调节腔长， 使激光频率回到标准的参考频率上，达到稳频目的。
MIMO雷达的MTI处理及性能分析
MIMO雷达的MTI处理及性能分析MIMO(多输入多输出)雷达的MTI(移动目标指示)处理是利用MIMO雷达系统的多通道接收信号，在时域上实现目标速度信息的提取与处理。
MTI处理是雷达系统中常用的一种信号处理技术，主要用于探测和追踪移动目标。
MIMO雷达系统在传统雷达系统的基础上增加了多个发射和接收天线，可以提供更高的波束形成能力和灵敏度，从而可以更好地满足对目标的探测和跟踪要求。
在MTI处理中，MIMO雷达系统通过对多通道接收信号进行时延和相位差分处理，可以提取出目标的速度信息。
MTI处理主要包括以下几个步骤：1.零多普勒频移：利用多通道接收信号的相位差分，对雷达回波信号进行零多普勒频移。
这可以去除地物回波信号的零频偏移，突出移动目标信号。
2.时域滤波：对零多普勒频移后的信号进行时域滤波处理，以去除不感兴趣的杂波干扰。
常用的时域滤波方法包括矩形窗滤波、哈希窗滤波等。
3.目标检测：对滤波后的信号进行目标检测，以确定目标的存在与位置。
4.目标速度估计：利用多通道接收信号的相位差分，可以提取出目标的相对速度信息。
通过测量不同通道的相位差分，可以估计出目标的速度值。
MIMO雷达的MTI处理可以提供更准确和可靠的目标速度信息，有助于实现对多种目标的高效探测和追踪。
MIMO雷达系统的多通道接收可以提供更多的信息，增强相位差分的可观测性。
同时，MIMO雷达系统的波束形成能力和灵敏度也得到了提高，可以更好地抑制非移动目标干扰。
性能分析方面，主要从以下几个方面进行评估：1.目标探测概率：指MIMO雷达系统对目标的探测能力。
通过统计分析目标存在时系统的虚警概率和正确检测概率，可以评估系统的目标探测性能。
2.距离测量精度：指MIMO雷达系统对目标距离的测量精度。
通过统计分析目标距离的测量误差，可以评估系统的距离测量性能。
3.速度测量精度：指MIMO雷达系统对目标速度的测量精度。
通过统计分析目标速度的测量误差，可以评估系统的速度测量性能。
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K
IV =IV -KnV
K
IC =IV -KnC
(10) (11)
通过对两幅强度像都作阈值化处理后， 可以得
到目标的距离误差为：
△L(KnC
,KnV
)=
1 2
×
! " cτe
ln
1-
(IV
-InV
)(InC
-KnC
)-(IC
0
-InC
)(InV
-KnV
)
( 12 ）
(IV -InV )(IC +InC -KnC )
为了减小目标的测距误差， 笔者试图对两幅增
益像进行阈值化处理， 即通过将两幅像的强度值分
别 减 去 背 景 噪 声 的 本 底 KnC 、KnV 的 方 法 来 削 减 背 景
噪 声 的 探 测 值 InC 、InV 对 目 标 距 离 误 差 的 影 响 ， 从 而
KK
使 IC 、IV 更接近于目标的实际信号。
ICCD 阵列接收器件接收回波信号。 第一个工作周期
ICCD 的增益随时间指数变化， 回波脉冲到达像增 强
器的时刻所对应的增益，和脉冲的往返时间也成指数
变化关系， 最终在 CCD 上获得指数增 益 调 制 下 的 强
度 像 ；第 二 个 工 作 周 期 ICCD 的 增 益 随 时 间 不 发 生 变
特点表现为以下几个方面：(1) 目标的形状、纹理、边
缘信息丢失严重， 表现为一些孤立点；(2) 目标的回
波信号满足泊松分布，起伏大；背景噪声满足高斯分
布，起伏较小，是一种缓慢的随机过程。 (3) 目标与背
景 的 平 均 强 度 相 当 ，SNR 接 近 1。 远 距 离 弱 信 号 条 件
下，由于背景噪声对两幅强度像的干扰十分严重，最
Abstract: The characteristics of gain -modulation laser radar images seriously affected by noise in the condition of long distant and weak signal were studied. For the purpose of improving the ranging precision, the processing method with double thresholds was proposed on the basis of the basic principle of the laser radar system. The minimum ranging error equation was obtained from the basic operation principle of gain -modulation laser radar. Considering faulty judgments between target and background with double thresholds processing method, the error probability functions were defined for gain-modulated images and range images. Two buildings at the distance of 1 930 m and 1 940 m were selected as targets for an outdoor experiment. The results show that distance error was reduced by 58.3%; the feasibility of double thresholds processing method was proved. On the other hand, the results show the error probability on double thresholds has a minimum. Key words: laser radar; weak signal; gain-modulated; double thresholds; error probability
第 43 卷第 8 期 Vol.43 No.8
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2014 年 8 月
Aug.2014
增益调制激光雷达弱信号的双阈值处理分析
靳辰飞 1,2，胡 鹏 2，张思琦 2，刘丽萍 2，赵 远 2，谭立英 1
(1. 哈尔滨工业大学 可调谐激光技术国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001； 2. 哈尔滨工业大学 物理系，黑龙江 哈尔滨 150001)
收 稿 日 期 ：2013-12-09 ； 修 订 日 期 ：2014-01-12 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 (61102147) ； 中 国 博 士 后 科 学 基 金 (20100481004) ； 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 (2011012) 作 者 简 介 ： 靳 辰 飞 (1979-) ， 男 ， 副 教 授 ， 主 要 从 事 激 光 雷 达 、 光 电 信 号 检 测 等 方 面 的 研 究 。 Email:jinchenfei@
测值分别为：
乙 0
IV =
P(τ)g(τ)dτ=Eg0 et/τe
(3)
乙 0
IC = P(τ)gC d信号的飞
行时间信息(距离信息)。 通过测量参量 g0 、gC 和 τe 可
将 t 解算出来，即：
0 00
t=τe ln
gC IV
g0
0
IC
当KnC 、KnV 满足以下的线性关系时，测距误差为最小：
(IV -InV )(InC -KnC )=(IC -InC )(InV -KnV )
(13)
2.2 距离像的误判率函数
常数增益和变增益下背景噪声和信号的探测值
都是随机变量，存在较大的随机起伏，而笔者设定的
阈值是确定的， 所以处理后的图像中不免存在一些
光电阴极能量很小，属于微光量级，输入的光电子数
近 似 服 从 泊 松 分 布 [8-9]， 探 测 器 接 收 到 的 信 号 随 时 间
的起伏大，而这种起伏又被像增强器放大，最终导致
目标的强度像有很大的噪声起伏；与此同时，强度相
当的背景噪声也随信号被像增强器放大， 叠加在整
个强度像的每个像素点上。 具体来说，信号与噪声的
信号像素点由于强度较低而被误判为噪声而被除
去， 同样也存在一些噪声信号点由于强度较大而被
误判为信号而被保留。 在此，定义误判率函数：
P(k)=α(1-Fn (k)+Fi (k))
(14)
式 中 ：Fn (k)、Fi (k)分 别 为 背 景 区 域 和 目 标 区 域 探 测 强 度值的概率分布函数；α 为归一化常数。
(5)
最终，目标的距离像为：
0 00
L= 1 2
cτe ln
gC IV
g0
0
IC
(6)
ICCD 中 的 核 心 部 件 是 像 增 强 器 ， 它 对 光 信 号 有
放 大 的 作 用[7]。 当 增 益 调 制 成 像 激 光 雷 达 探 测 远 距 离
目标时， 目标回波信号经接收孔径到达像增强器的
Analysis of weak signal processing of gain-modulated laser radar with double thresholds
Jin Chenfei1,2, Hu Peng2, Zhang Siqi2, Liu Liping2, Zhao Yuan2, Tan Liying1
(1. National Key Laboratory of Tunable Laser Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2. Department of Physics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
摘 要 ：在远距离弱信号条件下，增益调制激光雷达系统的测距精度受到强背景噪声的严重干扰。为 了 提 高 系 统 的 测 距 精 度 ，从 系 统 基 本 工 作 原 理 出 发 ，对 增 益 图 像 进 行 双 阈 值 化 处 理 ，得 出 了 测 距 误 差 最小的阈值条件；考虑到阈值处理对目标与背景存在错误判断，结合增益调制像的概率分布函数定义 了增益像和距离像的错误率函数。选取距离分别为 1 930 m 和 1 940 m 的两座建筑物作为目标进行成 像实验。实验结果表明：双阈值化处理后，系统的测距偏差减小了 58.3%，从而验证了双阈值化处理的 可行性。通过对目标与背景实验结果的计算发现，目标距离的错误率存在极小值。 关 键 词 ： 激光雷达； 弱信号； 增益调制； 双阈值； 错误概率 中 图 分 类 号 ： TN938.98 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： 1007-2276(2014)08-2447-06
2448
红外与激光工程
第 43 卷
0引言
ICCD 是 一 种 高 灵 敏 度 、 高 像 元 密 度 、 超 快 速 度 的 微 光 成 像 器 件[1]。 近 年 来 ，基 于 ICCD 阵 列 器 件 的 三维无扫描成像激光雷达以其高分辨率、高帧频、大 视 场 成 像 的 优 点 迅 速 得 到 了 人 们 的 广 泛 关 注[2-3]。 增 益 调 制 型 三 维 无 扫 描 成 像 激 光 雷 达 [4-5] 是 这 类 成 像 体制的一种典型代表。 由于这类系统利用激光器的 泛光照射目标， 在远距离条件下得到的增益强度像 的信噪比极低，目标强度起伏很大，信号强度与背景 强度几乎等量级， 目标的特征信号受到背景噪声的 严重干扰。 而通过图像处理的方法去提高测距精度 确 实 是 成 像 激 光 雷 达 的 关 键 技 术 之 一[6]。 目 前 ，针 对 远距离弱信号条件下对三维无扫描成像激光雷达两 幅增益图像处理的研究还很少。 文中以测距误差和 错误概率为评价指标， 提出了一种双阈值处理方法 来降低强背景对弱信号的干扰。